CN112615603B - 一种具有poi结构的掺钪氮化铝高频谐振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掺钪氮化铝的高频谐振器及其制造方法。该谐振器包括：高声速材料的衬底层、位于衬底层之上的欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)的温度补偿LGS层、位于温度补偿LGS层之上的ScxAl1‑xN压电层，x为41％或43％；以及压电层上的占空比为0.5－0.6的电极。其制造方法包括：将注入了离子的ScxAl1‑xN压电层与LGS层进行低温键合成第一结合层，将高声速材料衬底层和另一LGS层进行低温键合成第二结合层，将第一和第二结合层在各自的LGS层那面进行低温键合，将部分压电层沿注入的离子形成的剥离界面剥离并蚀刻后沉积电极。本发明的谐振器具有较高的工作频率和综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器/滤波器，尤其涉及手机射频前端中的一种具有POI结构的掺钪氮化铝高频谐振器及制造方法。
背景技术
随着5G技术的发展，人们对于手机射频前端模块中的滤波器的要求也越来越高。要求更低损耗、更高频率和更大带宽，这对现有的声表面波(SAW)和体声波(BAW)技术提出了严峻的挑战，高频滤波器需要新的高声速压电材料。
在sub-6GHz的移动通信中，三个通信频段n77(3.3-4.2GHz)、n78(3.3-3.8GHz)、n79(4.4-5GHz)的工作频段大于3G，无论是一般SAW滤波器(f0＜3G)，还是IHP SAW滤波器(f0≤3.5G)，它们的工作频率都无法满足上述三个频段的通信需要。同时提高频率、机电耦合系数、抑制杂散效应、提高Q值是非常困难的。
因此，需要有高声速、高机电耦合系数、高Q值和杂散小的谐振器，提高射频声表面波滤波器的工作频率和综合性能。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
发明人注意到单晶AlN的压电常数d33＝6.5pC/N，机电耦合系数Kt 2≤2％，压电性能较差，如果在单晶AlN中掺入Sc钪元素，就可提高其压电性能。本发明提供一种具有POI结构的掺钪氮化铝谐振器，将带有弱压电性的LGS和ScxAl1-xN及高声速、高导热衬底进行异质集成(ScxAl1-xN中x为掺入元素的原子比)。通过将单晶压电薄膜与高声速、高导热衬底结合，可以同时满足高声速、相对高机电耦合系数、高Q值和杂散小的要求。
本发明揭示了一种掺钪氮化铝的高频谐振器，包括：
高声速材料4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC的厚度为5-6λ的衬底层；
位于衬底层之上的厚度为0.1λ－0.15λ的温度补偿LGS层，LGS层的欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)；
位于温度补偿LGS层之上的材料为ScxAl1-xN厚度为0.4λ－0.45λ的压电层，其中Sc的原子比x为41％或43％；以及
位于压电层上的电极，电极的占空比为0.5－0.6，电极之间的间距和电极宽度之和为0.5λ，电极由金属Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni或其合金或其层叠体构成，优选第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。其中，λ是电极指激发的声波波长。
本发明的一种掺钪氮化铝的高频谐振器的制造方法，包括：
在ScxAl1-xN晶片中注入He+离子或H+离子，形成具有剥离界面的压电层；在欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)的LGS晶圆表面注入He+离子，进行退火、剥离并抛光，形成LGS层；将压电层和LGS层进行低温键合(键合温度≤150℃)形成第一结合层；
提供高声速材料的衬底层，将另一LGS层和衬底层进行低温键合(键合温度≤200℃)，形成第二结合层；
将所述第一结合层和所述第二结合层在各自的LGS层的那面进行低温键合(键合温度≤300℃)，且升降温速率控制在20℃以内；
在≥200℃的剥离温度下沿剥离界面剥离部分压电层，温度变化速率控制在15度以内；
对剥离后的压电层进行等离子体蚀刻；以及
在压电层的经蚀刻后的表面上沉积IDT电极。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。
图1是根据本发明的具有POI衬底的谐振器的示意图；
图2是ScxAl1-xN压电常数d33随Sc浓度变化图；
图3是LGS的Kt 2随欧拉角(0°，90°，Φ)变化示意图；
图4是LGS的Kt 2随欧拉角(90°，90°，Φ)变化示意图；
图5是Sc0.41Al0.59N、LGS欧拉角为(0°，90°，90°)导纳图；
图6是Sc0.41Al0.59N、LGS欧拉角为(90°，90°，180°)导纳图；
图7是Sc0.43Al0.57N、LGS欧拉角为(0°，90°，90°)导纳图；
图8是Sc0.43Al0.57N、LGS欧拉角为(90°，90°，180°)导纳图；
图9根据本发明的具有POI衬底的谐振器的制造工艺流程图。
具体实施方式
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。“正面、背面、上、下”等措辞仅用于表达相对位置而无其它限制之含意。
图1是根据本发明的具有POI衬底的谐振器的示意图。
本发明的谐振器包括高声速材料的衬底层4、温度补偿LGS层3、压电层2和电极5。其中，衬底层4与压电层2、温度补偿LGS层3一起构成POI结构。
衬底材料是高声速材料，选自4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC，厚度为5-6λ，λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm。
温度补偿LGS层的LGS欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)。
压电层材料为ScxAl1-xN，其中x为Sc的原子比。掺钪原子比为41％或43％。
压电层上有IDT电极5，电极之间间距+电极宽度＝0.5λ，占空比＝电极宽度/(电极宽度+电极间距)，优选占空比为0.5－0.6，电极沿孔径长度为10λ，电极对数可根据产品设计进行调整。电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。在本发明的一个实施例中，第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。机电耦合系数kt 2＝(π2/8)(fp 2-fs2)/fs 2，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。
图2是ScxAl1-xN压电常数d33随Sc浓度变化图。
压电常数d33是衡量材料压电性能的重要参数，d33越大，kt 2越大，滤波器带宽越大。从图可知当x＝0.43(即，原子比为43％)时，d33＝24.6pC/N，为最大值；当x＝0.48、0.58或0.73时，d33＝0，为最小值。因此，x＝0.43时，滤波器带宽最大。
图3是在常温下(T＝25℃)LGS的kt 2随Y切方向欧拉角(0°，90°，Φ)变化示意图。
从图可知，LGS的kt 2随着晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的kt 2在0.01％至0.35％之间变化，当Φ＝90时，kt 2＝0，为kt 2最小值，此时LGS压电性为0；当Φ＝0或180时，kt 2＝0.35％，为kt 2最大值，此时LGS压电性最大。
图4是在常温下(T＝25℃)LGS的kt 2随X切方向欧拉角(90°，90°，Φ)变化示意图。
从图可知，LGS的kt 2随着晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的kt 2在0.01％至0.39％之间变化，当Φ＝80-100时，kt 2＝0.01％，为kt 2最小值，此时LGS压电性最小；当Φ＝180时，kt 2＝0.39％，为kt 2最大值，此时LGS压电性最大。
图5是Sc0.41Al0.59N、LGS欧拉角为(0°，90°，90°)导纳图。
Sc的原子比为0.41，Sc0.41Al0.59N的d33＝12.2pC/N，LGS的kt 2＝0，此时LGS无压电性，引入的杂散也较小，压电层厚度为0.4λ，LGS厚度为0.1λ，电极厚度为180nm，fs＝6.3GHZ，fp＝6.383GHZ，机电耦合系数k2＝3.27％，机电耦合系数越高，谐振器的最大带宽越大；品质因数Q＝8366.5，Q越高，代表损耗越小。FOM＝Kt 2*Q，FOM为谐振器综合指标，一般SAW和TC-SAW的FOM值小于100，IHP SAW和FBAR的FOM值均小于200，本例FOM＝274。
图6是Sc0.41Al0.59N、LGS欧拉角为(90°，90°，180°)导纳图。
Sc的原子比为0.41，Sc0.41Al0.59N的d33＝12.2pC/N，LGS的kt 2＝0.39％，此时LGS压电性最大，压电层厚度为0.45λ，LGS厚度为0.15λ，电极厚度为200nm，fs＝6.257GHZ，fp＝6.340GHZ，机电耦合系数k2＝3.29％，机电耦合系数越高，谐振器的最大带宽越大；品质因数Q＝7719，Q越高，代表损耗越小，FOM＝254。
图7是Sc0.43Al0.57N、LGS欧拉角为(0°，90°，90°)导纳图，Sc的原子比为0.43，Sc0.41Al0.59N的d33＝24.6pC/N，为最大值，LGS的kt 2＝0，此时LGS无压电性，引入的杂散也较小，压电层厚度为0.4λ，LGS厚度为0.1λ，电极厚度为180nm，fs＝6.278GHZ，fp＝6.489GHZ，机电耦合系数k2＝8.42％，机电耦合系数越高，谐振器的最大带宽越大；品质因数Q＝7168.5，FOM＝604。
图8，Sc0.43Al0.57N、LGS欧拉角为(90°，90°，180°)导纳图，Sc的原子比为0.43，Sc0.43Al0.57N的d33＝24.6pC/N，为最大值，LGS的kt 2＝0.39％，此时LGS压电性最大，压电层厚度为0.45λ，LGS厚度为0.15λ，电极厚度为200nm，fs＝6.249GHZ，fp＝6.455GHZ，机电耦合系数k2＝8.26％，机电耦合系数越高，谐振器的最大带宽越大；品质因数Q＝7397，FOM＝611。
图9根据本发明的具有POI衬底的谐振器的制造工艺流程图。
901为ScxAl1-xN压电层离子注入步骤：在ScxAl1-xN(其中Sc的原子比x优选为41％或43％)晶片中以10°倾斜角注入He+离子，注入的离子在压电层的表面下方沉积形成剥离界面1，图中示出的是He+离子，本领域技术人员可以理解，注入H+离子也是可行的。注入离子的浓度范围为1×1016～2×1016ions/cm2，离子注入深度根据实际需要的基板厚度而定，优选地，以所制备器件波长的1～4倍。
在步骤902，在具有欧拉角(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)的LGS晶圆表面采用smart cut工艺注入He+离子形成剥离界面1’，离子注入深度根据实际需要的基板厚度而定，进行退火工艺。
在步骤903，从LGS晶圆上沿剥离界面1’剥离出一定厚度的具有特殊切向的LGS层。
在步骤904，采用低能Ar+辐射非接触抛光工艺对剥离后的LGS层进行抛光，以在步骤905得到表面粗糙度≤1nm且具有特殊切向及一定厚度的LGS层3。
在步骤906，将步骤905获得的LGS层3和在步骤901获得的压电层2进行低温键合形成第一接合层，键合温度≤150℃。
在步骤907，将另一LGS层3’和高声速衬底4进行低温键合(键合温度≤200℃)，形成第二接合层，其中衬底层4的材料为4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC，厚度为5-6λ。
在步骤908，将第一(2+3)接合层和第二(3’+4)接合层的在LGS层3和3’的那面进行低温键合，温度控制在300℃以内，且升降温速率必须控制在20℃以内。LGS层3和3’总的厚度为0.1λ－0.15λ。
在步骤909，在高温(剥离温度≥200℃)下沿着剥离界面1剥离ScxAl1-xN压电层2，剥离过程需要将温度变化速率控制在15度以内。剥离之后，压电层厚度为0.4λ－0.45λ。
在步骤910，通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻使粗糙的ScxAl1-xN压电层2的上表面变得光滑。
在步骤911，在压电层表面沉积IDT电极5，沉积方式可以采用蒸镀、溅射等方法。电极之间的间距和电极宽度之和为0.5λ，占空比为0.5－0.6，电极由金属Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni或其合金或其层叠体构成，优选第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。
本领域技术人员可以理解，上述步骤编号仅仅为了方便描述，实际工艺中，步骤902－905和步骤901之间没有先后顺序关系，步骤906和907之间也没有先后顺序关系。
本发明利用异质集成技术形成POI结构、掺钪AlN、特殊切角LGS，当掺钪原子比为41％及LGS欧拉角为(0°，90°，90°)、(90°，90°，180°)时，调整电极厚度、宽度和占空比、压电层及LGS厚度，实现了高频低插损高性能窄带滤波器，Q值超过7700，FOM≥250，主模式无杂散，同时满足高频、高Q值、无杂散是非常困难的，本发明同时满足上述设计要求。
本发明利用异质集成技术形成POI结构、掺钪AlN、特殊切角LGS，当掺钪原子比为43％及LGS欧拉角为(0°，90°，90°)、(90°，90°，180°)时，调整电极厚度、宽度和占空比、压电层及LGS厚度，实现了高频低插损高性能高带宽滤波器，Q值超过7000，FOM≥600，主模式无杂散，同时满足高频、高Q值、高机电耦合系数、无杂散是非常困难的，本发明同时满足上述设计要求。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种掺钪氮化铝的高频谐振器，包括：
高声速材料的衬底层；
位于所述衬底层之上的温度补偿LGS层，LGS的欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)；
位于所述温度补偿LGS层之上的压电层，所述压电层的材料为ScxAl1-xN，其中Sc的原子比x为41％或43％；以及
所述压电层上的电极，所述电极的占空比为0.5－0.6。
2.如权利要求1所述的高频谐振器，其特征在于，所述电极之间的间距和电极宽度之和为0.5λ，λ是电极指激发的声波波长，所述电极由金属Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni或其合金或其层叠体构成。
3.如权利要求2所述的高频谐振器，其特征在于，所述层叠体的结构为：第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。
4.如权利要求1所述的高频谐振器，其特征在于，所述衬底层的高声速材料为4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC，所述衬底层厚度为5－6λ，其中，λ是电极指激发的声波波长。
5.如权利要求1所述的高频谐振器，其特征在于，所述压电层厚度为0.4λ－0.45λ，所述LGS层厚度为0.1λ－0.15λ，其中，λ是电极指激发的声波波长。
6.一种掺钪氮化铝的高频谐振器的制造方法，包括：
在ScxAl1-xN晶片中注入He+离子或H+离子，形成具有剥离界面的压电层；
在欧拉角为(0°，90°，90°)或(90°，90°，180°)的LGS晶圆表面注入He+离子，进行退火、剥离并抛光，形成LGS层；
将所述压电层和所述LGS层进行低温键合形成第一结合层；
提供高声速材料的衬底层，将另一LGS层和所述衬底层进行低温键合，形成第二结合层；
将所述第一结合层和所述第二结合层在各自的LGS层的那面进行低温键合；
沿所述剥离界面剥离部分压电层；
对剥离后的压电层进行等离子体蚀刻；以及
在所述压电层的蚀刻后的表面上沉积IDT电极。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在ScxAl1-xN晶片中以10°倾斜角注入He+离子或H+离子，注入离子的浓度范围为1×1016～2×1016ions/cm2，注入离子的深度为所述谐振器的波长的1～4倍。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述LGS晶圆的表面采用smart cut工艺注入He+离子，采用低能Ar+辐射非接触抛光工艺对剥离后的LGS层进行抛光，使表面粗糙度≤1nm。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
将所述压电层和所述LGS层进行低温键合形成第一结合层的步骤中键合温度≤150℃；
将所述另一LGS层和所述衬底层进行低温键合形成第二结合层的步骤中键合温度≤200℃；
将所述第一结合层和所述第二结合层进行低温键合的步骤中键合温度≤300℃，且升降温速率控制在20℃以内。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，沿所述剥离界面剥离部分压电层在≥200℃的剥离温度下进行，并将温度变化速率控制在15度以内。
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